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[小科普：随我看地球 – 三十三] 地球生命的祖先： 埃迪卡拉生物群
中华新闻网 2025-06-20 09:30
中华新闻社多伦多电（记者 马淼） 在上一期科普中，我们介绍了5.41亿至5.18亿年前的"寒武纪生物大爆炸"。今天我们再介绍一下寒武纪生物的可能祖先"埃迪卡拉生物群(Ediacara Biota)"。埃迪卡拉生物群是Sprigg于1946年在澳大利亚中南部埃迪卡拉(Ediacara)地区的庞德石英岩(Pound Quartzite)中首先被发现，时间跨度估计为6.35亿年至5.41亿年前，但明确化石记录大约为5.75亿至5.41亿年前。这个时间不属于寒武纪，而是属于前寒武末期，亦即元古代末的"埃迪卡拉纪-Ediacaran”。埃迪卡拉纪的前一纪就是闻名遐迩的"成冰纪-Cryogenian"，也就是地球上唯一一次"雪球地球-Snowball Earth"的时代，时间为7.2亿-6.35亿年前(图1)。
埃迪卡拉生物群作为迄今发现的最古老的后生生物群(Metazoa)。后生生物是除了原生生物以外的所有多细胞动物门类，代表了前寒武纪晚期（约5.75-5.41亿年前）软躯体多细胞动物的重要演化阶段。 该生物群包含腔肠动物、水母类，节肢动物、环节动物，蠕虫动物、海鳃类等8科22属31种原始无脊椎动物，缺乏脊索动物，其化石标本呈现出显著的形态多样性特征，多数个体具有扁平化的体型结构，常见的有很薄的椭圆形或条带状轮廓，并在其表面覆盖着一层光滑有机质薄膜。为了不使其面积和体积比值下降太多，埃迪卡拉动物为使其体表面积增大，采取的是使身体薄化的方式，从而有利于和外界进行物质和能量交换。身体薄化只适于具有稳定生存环境的动物，这可从现代大寄生虫 - 绦虫的生活条件得知。埃迪卡拉动物的身体薄化也说明了那时的气候温暖，食源丰富，生存条件稳定。在这个动物群中虽有许多动物以浮游的方式生活，但它们不同于现代海洋中的水母喜欢游浮在海面表层。这是因为前者在那时大气层和臭氧层稀薄的情况下为避免强烈的紫外线损伤而本能地潜往海洋深处。它们日潜夜出，如此循环。
硫同位素(Δ³³S)注是地球早期缺氧大气的“指纹”。一般而言，地球早期的硫同位素越高，氧气越少，反之亦然。硫同位素研究表明，埃迪卡拉纪初期大气存在少量非质量分馏硫，表明氧气不足。至埃迪卡拉纪中期(约5.8亿年前)氧气含量增加到现代水平的10-40%, 这一增长与复杂的多细胞生物出现密切相关。到了埃迪卡拉末期，Δ³³S信号消失，表明氧气已占主导地位，生物因此进入了更加活跃的时期。
埃迪卡拉时期，独特的生物印痕化石不仅是地球早期复杂生命形式的直接证据，更为研究后生动物起源及寒武纪大爆发前奏提供了关键性的地质记录，尤其作为元古代末期地层中最具实证价值的生物遗迹，对重建古海洋生态系统具有里程碑意义。
埃迪卡拉生物群的出现是地球生命演化史上的重要节点，其成因涉及环境变化、生物演化机制及地球系统相互作用等多个方面。它们的形成可归纳为以下几个主要原因：
1. 新元古代晚期海洋氧化事件可能是驱动生物群诞生的首要因素。埃迪卡拉纪（6.35亿至5.39亿年前）的海洋氧化还原状态变化是生物演化的重要背景。研究表明，这一时期海洋经历了多次间歇性氧化事件。通过钼(Mo)、铀(U)等痕量元素分析，6.3亿年前海洋沉积物中的钼浓度显著增加，表明海水氧化程度提升，为多细胞生物的代谢需求提供了基础。
高δ13C值表明当时海洋中有大量有机碳被埋藏，促使氧气释放到大气和海洋中。约5.8亿年前全球性负δ13C事件可能对应有机碳库的氧化，进一步推动氧气积累，并超出了生物所需的氧气临界值。
埃迪卡拉生物群是后生动物出现后的第一次适应辐射，它们采取的是不同于现代大多数动物所采取的形体结构变化方式，而以不增加内部结构的复杂性，只改变躯体的基本形态，比如变薄，变成条带状或薄饼状，如狄肯逊水母(Dickinsonia，图2)，斯普里格水母(Spriggina，图3)等大型生物，使体内各部分充分接近外部表面，在没有内部器官的情况下以其独特的方式进行呼吸氧气和摄取营养。
2. 雪球地球事件最终为海洋生态带来繁荣机遇。埃迪卡拉纪紧接在新元古代“雪球地球”事件（如Marinoan冰期）之后，冰川消融带来的环境剧变为生物演化创造了条件，主要表现为营养物质向海输入。冰川消融导致大量陆源营养物质进入海洋，促进光合生物繁盛，进而增加氧气产量。 冰期后的海洋环境相对稳定，生态位空缺为多细胞生物的辐射演化提供了空间。
3. 埃迪卡拉生物群的出现不仅是环境驱动的结果，也体现了生物自身的演化创新，比如生物从单细胞向多细胞过渡，体型增大（如狄肯逊虫和查恩虫（Charnia，图4），伦吉虫(Rangea, 图5)，增强了生存竞争力。埃迪卡拉生物群出现了固着型（如花瓣动物门）、移动型（如两侧对称动物）等，表明生物已开始向多样化生态位发展。 另外，埃迪卡拉纪末期出现的克劳德管虫(Cloudina, 图6)等生物首次演化出碳酸钙骨架，为寒武纪骨骼化动物的爆发奠定了基础。
4. 埃迪卡拉纪的海洋环境并非持续稳定，而是经历了多次氧化-缺氧波动。汞同位素研究显示，透光带反复硫化（H2S富集）抑制了产氧光合作用，但短暂氧化窗口期仍为生物提供了生存空间。
5. 分子钟研究表明，后生动物(Metazoa)的起源时间早于埃迪卡拉纪（约7亿年前）。经过英国布里斯托大学团队通过修订化石校准，结合系统发育和分子钟模型，提出后生动物起源于早埃迪卡拉纪（约6.35亿年前），而真后生动物(Eumetazoa)和两侧对称动物(Bilateria)分别在中、晚埃迪卡拉纪分化。校准后的时间与埃迪卡拉纪-寒武纪过渡期的海洋氧合事件更吻合。这些过程共同为后续寒武纪生命大爆发奠定了基础，揭示了地球系统与生命演化的深层联系。
埃迪卡拉生物群作为迄今发现的最古老的后生生物群(Metazoa)。后生生物是除了原生生物以外的所有多细胞动物门类，代表了前寒武纪晚期（约5.75-5.41亿年前）软躯体多细胞动物的重要演化阶段。 该生物群包含腔肠动物、水母类，节肢动物、环节动物，蠕虫动物、海鳃类等8科22属31种原始无脊椎动物，缺乏脊索动物，其化石标本呈现出显著的形态多样性特征，多数个体具有扁平化的体型结构，常见的有很薄的椭圆形或条带状轮廓，并在其表面覆盖着一层光滑有机质薄膜。为了不使其面积和体积比值下降太多，埃迪卡拉动物为使其体表面积增大，采取的是使身体薄化的方式，从而有利于和外界进行物质和能量交换。身体薄化只适于具有稳定生存环境的动物，这可从现代大寄生虫 - 绦虫的生活条件得知。埃迪卡拉动物的身体薄化也说明了那时的气候温暖，食源丰富，生存条件稳定。在这个动物群中虽有许多动物以浮游的方式生活，但它们不同于现代海洋中的水母喜欢游浮在海面表层。这是因为前者在那时大气层和臭氧层稀薄的情况下为避免强烈的紫外线损伤而本能地潜往海洋深处。它们日潜夜出，如此循环。
硫同位素(Δ³³S)注是地球早期缺氧大气的“指纹”。一般而言，地球早期的硫同位素越高，氧气越少，反之亦然。硫同位素研究表明，埃迪卡拉纪初期大气存在少量非质量分馏硫，表明氧气不足。至埃迪卡拉纪中期(约5.8亿年前)氧气含量增加到现代水平的10-40%, 这一增长与复杂的多细胞生物出现密切相关。到了埃迪卡拉末期，Δ³³S信号消失，表明氧气已占主导地位，生物因此进入了更加活跃的时期。
埃迪卡拉时期，独特的生物印痕化石不仅是地球早期复杂生命形式的直接证据，更为研究后生动物起源及寒武纪大爆发前奏提供了关键性的地质记录，尤其作为元古代末期地层中最具实证价值的生物遗迹，对重建古海洋生态系统具有里程碑意义。
埃迪卡拉生物群的出现是地球生命演化史上的重要节点，其成因涉及环境变化、生物演化机制及地球系统相互作用等多个方面。它们的形成可归纳为以下几个主要原因：
1. 新元古代晚期海洋氧化事件可能是驱动生物群诞生的首要因素。埃迪卡拉纪（6.35亿至5.39亿年前）的海洋氧化还原状态变化是生物演化的重要背景。研究表明，这一时期海洋经历了多次间歇性氧化事件。通过钼(Mo)、铀(U)等痕量元素分析，6.3亿年前海洋沉积物中的钼浓度显著增加，表明海水氧化程度提升，为多细胞生物的代谢需求提供了基础。
高δ13C值表明当时海洋中有大量有机碳被埋藏，促使氧气释放到大气和海洋中。约5.8亿年前全球性负δ13C事件可能对应有机碳库的氧化，进一步推动氧气积累，并超出了生物所需的氧气临界值。
埃迪卡拉生物群是后生动物出现后的第一次适应辐射，它们采取的是不同于现代大多数动物所采取的形体结构变化方式，而以不增加内部结构的复杂性，只改变躯体的基本形态，比如变薄，变成条带状或薄饼状，如狄肯逊水母(Dickinsonia，图2)，斯普里格水母(Spriggina，图3)等大型生物，使体内各部分充分接近外部表面，在没有内部器官的情况下以其独特的方式进行呼吸氧气和摄取营养。
2. 雪球地球事件最终为海洋生态带来繁荣机遇。埃迪卡拉纪紧接在新元古代“雪球地球”事件（如Marinoan冰期）之后，冰川消融带来的环境剧变为生物演化创造了条件，主要表现为营养物质向海输入。冰川消融导致大量陆源营养物质进入海洋，促进光合生物繁盛，进而增加氧气产量。 冰期后的海洋环境相对稳定，生态位空缺为多细胞生物的辐射演化提供了空间。
3. 埃迪卡拉生物群的出现不仅是环境驱动的结果，也体现了生物自身的演化创新，比如生物从单细胞向多细胞过渡，体型增大（如狄肯逊虫和查恩虫（Charnia，图4），伦吉虫(Rangea, 图5)，增强了生存竞争力。埃迪卡拉生物群出现了固着型（如花瓣动物门）、移动型（如两侧对称动物）等，表明生物已开始向多样化生态位发展。 另外，埃迪卡拉纪末期出现的克劳德管虫(Cloudina, 图6)等生物首次演化出碳酸钙骨架，为寒武纪骨骼化动物的爆发奠定了基础。
4. 埃迪卡拉纪的海洋环境并非持续稳定，而是经历了多次氧化-缺氧波动。汞同位素研究显示，透光带反复硫化（H2S富集）抑制了产氧光合作用，但短暂氧化窗口期仍为生物提供了生存空间。
5. 分子钟研究表明，后生动物(Metazoa)的起源时间早于埃迪卡拉纪（约7亿年前）。经过英国布里斯托大学团队通过修订化石校准，结合系统发育和分子钟模型，提出后生动物起源于早埃迪卡拉纪（约6.35亿年前），而真后生动物(Eumetazoa)和两侧对称动物(Bilateria)分别在中、晚埃迪卡拉纪分化。校准后的时间与埃迪卡拉纪-寒武纪过渡期的海洋氧合事件更吻合。这些过程共同为后续寒武纪生命大爆发奠定了基础，揭示了地球系统与生命演化的深层联系。
作者简介：章纪君博士，1982年12月赴美国纽约哥伦比亚大学拉蒙特地质研究所(Lamont-Doherty Geological Observatory)研究海洋浮游有孔虫；1984年赴美国田纳西州Vanderbilt 大学学习海洋钙质超微浮游生物; 自1987年至2013年在美国自然历史博物馆微体古生物出版社和拉蒙特地质研究所从事特殊出版物编辑，海洋古生物及生物地层学和天外物质的研究。1991年进入加拿大哈里法克斯的达尔豪斯(Dalhousie)大学深造，1996年取得博士学位。在学期间获奖情况：1996-1999年：美国弗罗里达大学美国国家科学基金会 (NSF) 的博士后资助。1993-1996年连续四年获达尔豪斯大学研究生 Izaak Walton Killam 纪念奖学金。1994年获美国地质学会 (GSA) 学生研究奖。1993年获美国全球一年一度一人的Cushman 基金会学生奖。1991-1993年连续二次获达尔豪斯大学研究生奖学金。1991-1996仼达尔豪斯大学助教。
1997年在法国Anger大学地质系做访问教授。2000年后在利比亚－美国合营公司－”绿州石油公司”任实验室主任，从事古生物，地层和古盆地重建工作， 同时担任石油公司的地质，古生物学的教育培训工作。
出版物二部书，中文版一部由”海洋出版社”出版, 合著1988, 438pp; 另一部英文版由Springer-Verlag 出版社出版, 合著, 1985, 370pp. 1985-1986期间曾参与中国的“辞海”汇编。
在”海洋出版社”1988年专著一书中，命名了16个第四纪底栖有孔虫新物种. 另外在美国 ”Micropaleontology”1995年一文中，命名了一个渐新世(Oligocene)的浮游有孔虫一个新属(Protentelloides) 和二个新种(Protentelloides primitiva 和Protentelloides dalhousiei).
出版文章20余篇，发表于各种科学杂志上, 如Palaios,Deep Sea Research, Marine Micropaleontology, Micropaleontology, Paleoceanography, Geology, Oceanography Acta Sinica等.为绿洲石油公司撰写内部专业报告20余篇.
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